动态定位在船舶运输过程中的应用

动态定位在船舶运输过程中的应用
◎ 杨三萍 刘鹏珍 吕梁学院资源与机械工程系
摘 要：动态定位技术在船舶运输中起着至关重要的作用，通过整合高级传感器、自动控制系统和推进装置，它显著提升了海洋测绘、航海安全和环境保护的效能，这项技术使船舶能够精确地控制在特定位置和方向，对海洋资源管理和环境监测具有重要价值。

研究重点包括动态定位系统的关键组件及其在提高航海操作效率和安全性方面的应用，尤其是在应对复杂海况和进行综合监测时的表现。

关键词：动态定位；船舶运输；海洋测绘；航海安全
动态定位技术作为现代船舶运输不可或缺的一部分，对提高航海效率和安全性具有极大的影响，利用先进导航系统和自动控制系统，该技术使船舶在海上能够精准维持位置和航向，动态定位的应用不仅局限于船舶定位，还涵盖海洋测绘和环境监测等关键领域，对海洋资源的开发与保护起着至关重要的作用。

本文旨在全面探讨动态定位技术的关键组件及功能，并详细分析其在船舶运输中的多方面应用。

1.动态定位技术概述
动态定位技术作为现代船舶运输系统中的核心部分，致力于实现精确的船舶定位和航向控制。

该技术利用一系列高级传感器、自动控制系统和推进装置，以确保船舶即使在复杂的海洋环境中也能保持其预定位置。

基本原理涉及接收来自全球定位系统以及其他导航工具如陀螺罗盘和声呐系统的信号，以实时监测船舶的位置和运动状态。

动态定位系统不断对这些数据进行处理和分析，通过自动调整船舶推进系统和舵机来维持
稳定的船位，这项技术的精准性和可
靠性对于执行海洋测绘、深海钻探、
海上救援和其他要求高精度定位的
海洋作业至关重要。

此外，动态定位
技术还大幅降低了对船员手动操控
的依赖，提高了作业效率和安全性，
尤其在恶劣天气条件或在繁忙航道
上运行时更显其优势。

随着技术的发
展，现代动态定位系统已经可以实现
更加复杂的功能，如自动避碰和路径
规划，显著提升了船舶运输的整体性
能和效率[1]。

2.动态定位系统的关键组件与功能
2.1传感器和测量设备
动态定位系统的精确性在很大
程度上依赖于其使用的传感器和测
量设备，这些设备包括全球定位系统
接收器、陀螺罗盘、多普勒测速仪和
声纳等，用于精确测量船舶的位置和
运动状态，GPS接收器能够提供关于
船舶在全球坐标系中的精确位置信
息，其定位精度通常在±1米范围内；
陀螺罗盘则用于测量船舶的航向和
姿态，精度可达0.1度；多普勒测速仪
利用多普勒效应测量船舶相对于水
体的速度，其测量精度可以达到0.1
节；声呐系统，尤其是多波束声呐能
够提供对海底地形的详细映射，对于
执行海底作业的船舶至关重要，其测
量深度准确性可达±2厘米，这些传
感器共同工作，确保动态定位系统可
以实时准确地监测船舶的位置和运
动，为自动控制系统提供关键数据。

2.2控制系统与算法
动态定位系统的核心在于其高级
控制系统和复杂算法，这些系统和算
法负责处理传感器数据，并据此自动
调整船舶的推进系统。

控制系统通
常包括一个集成的软件平台，该平台
集成了多种先进的算法，如比例－积
分－微分（PID）控制、模型预测控制
（MPC）和人工智能（AI）算法等，
这些算法能够基于收集的数据预测
船舶的未来运动，并计算出必要的推
力和舵角数值。

PID控制器，其中最
常见的控制算法之一，其公式为：
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珠江水运
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学术· 动态定位在船舶运输过程中的应用 ·
其中K p 、K i 和K d 分别代表比例、
积分和微分控制器的增益。

PID控制器通过这种方法可以实现高达0.1°的航向控制和0.5米的位置控制精度。

模型预测控制（MPC）则提供对船舶动态的高度精确预测，其控制策略可
以用以下公式表示：
其中x (t )表示在时间t 的系统状
态，v (t )是控制输入，T 是预测的时间范围。

MPC通过解决这个优化问题能够提前规划控制动作，以适应快速变化的环境，实现高达0.2米的位置控制精度[2]。

2.3推进和操纵系统
在动态定位系统中推进和操纵
系统的角色至关重要，它们直接负责执行控制系统的命令，以精确维护船舶的位置和航向，这些系统通常包括主推进器、辅助推进器（如侧向推进器）以及舵机，主推进器提供船舶的主要驱动力，其输出功率通常在几千到几万千瓦之间，具体取决于船舶的大小和用途。

辅助推进器，尤其是侧
向推进器用于提供横向推力，帮助船舶在静止状态下保持稳定或在低速下进行精细的位置调整，侧向推进器的功率范围通常在几百到几千千瓦。

舵机则负责船舶的方向控制，其响应时间通常小于1秒，这些推进和操纵系统的性能直接影响动态定位系统的整体效果，为实现高精度的位置和航向控制，这些系统必须能够快速、精准地响应控制系统的指令。

现代船舶使用的是电子控制的推进系统，这些系统可以实时调整推进器的功率输出和舵叶的角度，以应对复杂的海
洋环境，电子控制系统还允许船舶进行自动或半自动操作，减少人为操作的需求，提高整体操作的精度和可靠性。

在实际应用中动态定位的推进和操纵系统需要高度的集成和协调，例
如当船舶面临强风或强流时推进系统必须能够迅速调整输出，以抵消外部力的影响，确保船舶保持在设定的位置，在这种情况下系统的响应速度和推进力的精确控制至关重要。

3.动态定位在船舶运输中的实际应用3.1海洋测绘的精准定位
在海洋测绘领域，动态定位系统
的应用极大提高了数据采集的精度和效率。

以一次深海科学探索任务为
例，该任务的目的是在深海地区进行详细的地质和生物多样性调查，使用动态定位系统的研究船能够在深达3000米的水域中保持固定位置，误差控制在±2米以内，即便在强流和复
杂海底地形的条件下，这种精确的定位使得船上的多波束声纳和其他地质探测设备能够连续、准确地扫描同一片海床区域，收集高分辨率的地形和生物群落数据，例如在探索海底火山区域时动态定位系统允许船只稳定地悬停在火山口上方，安全地进行深海摄影和样本采集，该系统的使用不仅提高了数据的准确性，还大大降低其潜在的安全风险[3]。

表1展示动态定位系统在深海科学探索任务中的
性能参数和成果。

3.2应对复杂海况的策略
动态定位系统在应对复杂海况
方面表现出卓越的技术优势，尤其是在极端气象条件和复杂地理特征的海域中。

以北海油田的维护作业为例，该作业区域常受大风、大浪和强潮流的影响。

在这样的恶劣条件下，使用动态定位系统的维护船能够在风速每秒20米、波高超过5米的环境中，准确维持预定位置，误差范围控制在±3米以内。

这是通过系统的先进传感器网络实时监测环境条件和船舶响应，配合高效的推进系统调节来实现的。

动态定位系统提高作业效
率的效果可以通过以下公式来估算：在北海油田的案例中，如果传统
作业时间为10小时，而动态定位系统减少作业时间到6小时，计算得出作
业效率提升了40%。

同样地，动态定位系统在减少燃油消耗方面的效果
可以通过以下公式来计算：
例如，如果传统作业方式下的燃
油消耗为1000升，而使用动态定位系
指标
数据说明
定位精度
在复杂海况下，系统能够将船只定位精度控制在±2
米范围内
深度范围
系统能够在深达3000米的水域中稳定运作多波束声呐覆盖区域每小时扫描并绘制1000平方米的海床区域地形图分辨率
地形图能够以1米的分辨率显示海床细节生物多样性调查新发现种类发现了5种之前未记录的海底生物种类
海底火山口样本采集效率
在火山口上方的悬停使样本采集成功率达到90%安全风险降低比率使用动态定位系统后，安全风险降低了50%
表1 动态定位系统在深海科学探索中的应用效果
表2 动态定位系统对船舶燃油效率和环境影响的影响
指标传统航行方式
使用动态定位系统
平均燃油消耗 （吨/海里）
0.50.4碳排放减少比例 (%)020航行效率提升 (%)0
15
对海底生态影响显著极低航线优化效果
一般
显著
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筑项目的时间表得以优化，显著降低了施工成本和环境影响，这些案例证明动态定位技术在海洋工程项目中不可或缺的作用，不仅提高了作业的安
全性和准确性，还为海洋可持续发展
贡献了重要力量[5]。

4.结论
动态定位技术的应用在船舶运
输领域已证明其不可或缺的价值，不仅提高了航海的安全性和操作效率，还为精确的海洋测绘提供必要的技术支持。

在面对多变的海洋环境和复杂的航行挑战时，动态定位系统展现其高度适应性和可靠性，此外，该技
术对环境保护和能源效率的积极影响也不容忽视，特别是在推动航运业
向更加绿色可持续方向发展方面。

综
合考虑，动态定位技术在船舶运输中的广泛应用不仅优化了现有的航运操作，而且还为未来海洋探索和航运安
全创造了新的可能性。

统的作业燃油消耗为700升，那么燃油消耗减少百分比可以通过以下公式
计算得出：
这个计算结果表明，通过使用
动态定位系统不仅作业效率提高约40%，还实现约30%的燃油消耗减
少，这种高度自动化和智能化的动态定位能力，在保障船舶在极端海况下的安全性的同时，还显著提高了作业效率和经济效益[3]。

3.3环境保护与节能减排
考虑到船舶运输对全球碳排放
的重大贡献，采用节能减排技术至关重要。

一个具体案例是一艘大型货轮利用动态定位系统进行优化航线规划，显著降低了燃油消耗，在此次跨洋航行中动态定位系统结合海洋气象数据和流场信息，实时调整航
线和航速，以最大程度减少风浪阻力和燃油消耗。

结果显示，相比传统航线规划，该系统使船舶燃油效率提高
约20%，同时减少相应的碳排放。

此外，动态定位系统还能减少对海洋生态环境的影响，在敏感的海洋生态区域，如珊瑚礁或海草床附近作业时传统的锚泊方式可能对海底生态造成破坏，动态定位系统通过精确控制船舶位置，无需投放锚链，从而保护了
这些脆弱的海洋生态系统。

表2展示了动态定位系统在环境保护和节能
减排方面产生的具体影响。

3.4海洋资源勘探
在海洋资源勘探领域，动态定位系统的应用同样展现出其对于提高作
业效率和精度的关键作用，特别是在
深海油气资源的勘探中，DP系统使得
钻探船能够长时间稳定地位于指定地点，即使面对强风和高浪的恶劣条件也不例外，此技术的应用极大地提升了钻探作业的安全性和可靠性。

以巴西盐下油田的勘探为例，动态定位技术使得勘探船能够精确执行钻探
作业，成功钻探了超过2000米深的海
底，进而发现了高达数十亿桶原油储
量的油田，在这一过程中动态定位系
统依靠其先进的传感器网络和控制算法，实时监测和调整船舶位置，确保钻头精确对准预定目标。

数据分析显示，通过使用动态定位技术，不仅
钻探成功率得到显著提高，而且作业时间缩短了约20%，同时降低了环境
风险和作业成本[4]。

3.5环境与生态调查
动态定位技术在环境与生态调查
中的应用，显著提高了海洋科学家在
复杂海域进行精确研究的能力。

特别是在深海生态系统的研究中，动态定位系统使研究船能够在严格预定的位置上进行长时间的观测和样本采
集，确保了数据的高度一致性和可靠性。

考虑到深海环境的不稳定性，这一技术特别重要。

例如，利用动态定位技术，研究团队在太平洋马里亚纳海沟的一次调查中，对深海热液喷口周围的生物群落进行了详细研究。

通过精确控制研究船的位置，无人遥控潜水器（ROV）能够对指定喷口进行连续监测，收集到了关于深海生物多样性、热液流动特性及其对周围生态影响的关键数据。

3.6海洋建筑与基础设施布置
在海洋建筑与基础设施布置方面，动态定位技术已成为确保精准作业的标准设备，该技术的应用范围从海底管道铺设到海上风电场的建设等各个方面。

动态定位系统通过实时
调整船舶位置和姿态，使得在恶劣海
况下也能精确放置海底管道和构建海上风力发电机基座，例如在北海的一个海上风电场项目中，安装船利用动态定位系统，在强风和高浪条件下
成功安装了数十个风电机基座，通过精确的位置控制，每个基座的安装误差保持在±0.5米范围内，确保了整个风电场的结构稳定性和长期运行效
率，此外动态定位技术还使得海上建
[1]吴迪,态面的工程船舶锚泊定位控制[J].工业控制计算机,2023,36(10):36-39.
[2]苏义鑫,公成龙,张丹红.考虑推进器饱和特性的动力定位船舶递归滑模动态面控制[J].振动与冲击,2023,42(08):206-214.
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